DE3701364A1

DE3701364A1 - Flammrohrkessel

Info

Publication number: DE3701364A1
Application number: DE19873701364
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr Wieser
Original assignee: WIESER DR RUDOLF
Current assignee: WIESER DR RUDOLF
Priority date: 1987-01-19
Filing date: 1987-01-19
Publication date: 1988-07-28

Description

Der gegenständliche Vorschlag betrifft brenngas- oder heizölgefeuerte Flammrohrkessel mit stark reduzierter NO_x- Bildung der Feuerung und Entschwefelung der Rauchgase.

Die neuen gesetzlichen Vorschriften (TA-Luft) fordern auch für kleinere Industriedampfkessel (z.B. Flammrohrkes sel) einen NO_x-Gehalt von weniger als 450 mg/m³ Rauchgas.

Dieser Forderung ist bei öl- oder gasgefeuerten Indu striedampfkesseln nur schwer zu entsprechen, da diese Brenn stoffe hohe Verbrennungstemperaturen aufweisen, welche die Bildung von NO_x begünstigen.

Man hat bisher zur Senkung der Verbrennungstemperatur die Absaugung von kalten Rauchgasen vom Ende des Kessels und deren Zumischung zur Verbrennungsluft praktiziert. Diese Maßnahme brachte jedoch nur eine teilweise Senkung der NO_x- Bildung, da der zugemischte Rauchgasanteil zur Verbrennungs luft dadurch begrenzt ist, daß der Sauerstoffanteil des Ver brennungsluft/Kaltgasgemisches nicht unter 18% absinken darf, da sich sonst Schwierigkeiten mit der Zündung des Brennstoffes ergeben.

Weiters ist es von kohlebeschickten Wirbelschichtfeue rungen her bekannt, daß durch die Anordnung von "Tauchheiz flächen" in der Brennkammer die Verbrennungstemperatur auf 900-950°C abgesenkt werden kann. Diese Maßnahme bringt eine ausreichende Reduktion der NO_x-Bildung bis unter die gesetzlich zugelassene Grenze.

Schließlich wurde auch eine Feuerung für öl- oder gas gefeuerte Flammrohrkessel entwickelt, bei der zur Reduktion der NO_x-Bildung während des Betriebes NH₃ und Wasser in die Flammengase eingedüst werden. Diese Eindüsung erfolgt im Flammrohr über eine NH₃-Lanze, deren Abstand zum Brenner hin lastabhängig und in Abhängigkeit vom gemessenen NO_x- Gehalt der Rauchgase verändert wird.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist der erforderliche große Aufwand an Regelgeräten. Auch besteht durch das Ein düsen von NH₃ die Gefahr chemischer Korrosionen an den Kes selwänden. Außerdem wird durch das eingedüste NH₃ und Was ser der Kesselwirkungsgrad reduziert, da die Verdampfungs wärmen dieser beiden Stoffe für die Dampferzeugung im Kes sel nicht genützt werden können.

Zur Vermeidung dieser Nachteile wird für öl- und gas gefeuerte Flammrohrkessel zur Reduktion der NO_x-Bildung ei ne Lösung vorgeschlagen, die erfindungsgemäß dadurch gekenn zeichnet ist, daß in dem Flammrohr bzw. in jedem Flammrohr vor dem Brenner ein Wasserrohrbündel angeordnet ist, das während des Betriebes von den Flammengasen beaufschlagt wird.

Die Verbrennung des Brenngases oder Heizöls findet da bei zwischen den Rohren des Wasserrohrbündels statt, die einen Teil der Verbrennungswärme aufnehmen und dabei die Verbrennungstemperatur auf einen Wert von ca. 950°C halten. Dadurch wird eine starke Reduktion des NO_x-Bildung erreicht, so daß der gesetzlichen Vorschrift entsprochen werden kann.

Unterstützt wird diese Reduktion der NO_x-Bildung noch da durch, daß während des Betriebes in an sich bekannter Weise der Verbrennungsluft vor dem(n) Brenner(n) über ein Rück führgebläse "kaltes" Rauchgas (mit ca. 200°C) vom Ende des Kessels her zugemischt wird. Dies senkt ebenfalls die Ver brennungstemperatur und verzögert den Verbrennungsablauf.

Der rückgeführte Anteil an "kaltem" Rauchgas wird da bei aber so begrenzt, daß sich keine Schwierigkeiten bei der Zündung des Brenngases oder Heizöls ergeben.

In den Zeichnungen sind sechs Ausführungsformen des Erfindungsvorschlages beispielhaft dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform für kleinere Kessel, bei der das Wasserrohrbündel aus mehreren koaxial angeordneten, schraubenförmigen Rohrwendeln besteht, die einen Zentralkör per umschließen, der als Teil des Kesseldruckkörpers ausge bildet ist.

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform für kleinere Kessel, bei der das Wasserrohrbündel aus mehreren geraden Rohren be steht.

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform für kleinere Kessel, bei der das Wasserrohrbündel aus mehreren geraden Rohren im Zentralbereich und umschließenden peripheren Rohrwendeln be steht.

Fig. 4 eine vierte Ausführungsform für größere Kessel, bei der ein Teil des Verbrennungsluft/Kaltgasgemisches über den Zentralkörper in das umgebende Rohrbündel eingeblasen wird, das innerhalb des Flammrohres vor dem Brenner ange ordnet ist.

Fig. 5 eine fünfte Ausführungsform für größere, mit schwefelhaltigem Brennstoff befeuerte Kessel, bei der zur Verringerung der SO₂-Bildung mit einem gasförmigen Träger medium Kalk- oder Dolomitstaub über den Zentralkörper in die Flammgase eingeblasen wird.

Fig. 6 eine sechste Ausführungsform für größere gasge feuerte Kessel, bei der ein Teil des Brenngases über den Zentralkörper in das umgebende, vor dem Brenner befindli che Rohrbündel eingeblasen und in diesem verbrannt wird.

In Fig. 1 ist in einem vertikalen Längsschnitt eine erste Ausführungsform des Vorschlages für einen Flammrohr kessel kleiner Leistung (bis ca. 5 t/h) gezeigt.

In dem walzenförmigen Druckkörper 1 des Kessels befin det sich das Flammrohr 2, die innere Rauchgaswendekammer 3 und das Rauchrohrbündel 4, das in die äußere Rauchgaswende kammer 5 einmündet.

Stirnseitig vor dem Flammrohr 2 ist der Brenner 6 (Gas brenner mit Zündbrenner 6′) angeordnet, der an einem Ab standsring 7 angeflanscht ist. Letzterer ist an der Stirn seite des walzenförmigen Druckkörpers 1 befestigt und um schließt die Flammrohrmündung.

Innerhalb des Flammrohres 2 befindet sich in geringem Ab stand vor dem Brenner 6 das Wasserrohrbündel 8, das aus drei koaxialen, schraubenförmigen Rohrwendeln 8′ und einem Zentral körper 9 besteht.

Die Verbrennung des Brenngases erfolgt innerhalb des Was serrohrbündels 8, welches dabei Wärme aufnimmt und die Flammen temperatur auf einen Wert von ca. 950°C hält. Dadurch wird die NO_x-Bildung in den Rauchgasen stark vermindert.

Die Rohrwendeln 8′ des Wasserrohrbündels 8 und der zum Kesseldruckkörper gehörende Zentralkörper 9 werden während des Betriebes durch die Umwälzpumpe 10 über das Zulaufrohr 11 und das Ablaufrohr 12 mit Kesselwasser versorgt (gekühlt).

Die drei Rohrwendeln 8′ des Wasserrohrbündels 8 sowie der Zentralkörper 9 sind wasserseitig hintereinander geschal tet und bilden strömungsmäßig auf der Seite des Kühlmediums ein Einrohrsystem. Dadurch wird die Gefahr instabiler Kühl strömungen vermieden.

Das Zulaufrohr 11 und das Ablaufrohr 12 des Wasserrohr bündels 8 und des Zentralkörpers 9 sind durch den Abstands ring 7 hindurchgeführt. Das während des Betriebes im Wasser rohrbündel 8 und im Zentralkörper 9 entstehende Dampf/Was sergemisch strömt in den Dampfraum des walzenförmigen Druck körpers 1 zurück.

Während des Betriebes wird dem Brenner 6 durch das Frischluftgebläse 13 Verbrennungsluft zugeführt. Dabei wird der Verbrennungsluft vor dem Brenner 6 über ein Rückführge bläse 14 vom Kesselende her kaltes Rauchgas (von ca. 200°C) zugemischt. Diese Maßnahme dient ebenfalls der Einhaltung ei ner maximalen Verbrennungstemperatur von ca. 950°C.

Um die Verbrennungstemperatur der Flamme innerhalb des Wasserrohrbündels 8 über einen großen Lastbereich der Kes sel auf einen möglichst konstanten Wert von ca. 950°C zu halten, wird mit abnehmender Kesselleistung das Verhältnis Kaltgasmenge/Brennstoffmenge reduziert. Dies geschieht mit dem Drosselgerät 14′.

Bei der in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungs form besteht das Wasserrohrbündel 8 aus mehreren geraden Rohren 8′′, die zur Achse des Flammrohres 2 parallel ange ordnet und aus demselben zur Feuerseite hin ausziehbar sind. Dieses Wasserrohrbündel 8 ist entwässerbar.

Bei der dritten Ausführungsform gemäß Fig. 3 besteht das Wasserrohrbündel in seinem zentralen Teil aus geraden Rohren 8′′, die von zwei schraubenförmigen Rohrwendeln 8′ um geben sind.

In Fig. 4 ist eine vierte Ausführungsform des Erfin dungsgegenstandes für größere Kessel dargestellt.

Bei dieser wird ein Teil des Verbrennungsluft/Kaltgas gemisches über den Zentralkörper 9′ in das Wasserrohrbündel 8 eingeblasen. Dadurch wird eine Verzögerung des Verbren nungsablaufes erreicht und es wird so trotz der größeren Feuerleistung eine Flammentemperatur von ca. 950°C nicht überschritten.

Das Ausblasen des Verbrennungsluft/Kaltgasgemisches aus dem Zentralkörper 9′ erfolgt über Düsen 9 ^x, die in der peripheren Wand des Zentralkörpers 9′ angeordnet und zwi schen die benachbarten Rohre der Rohrwendeln 8′ gerichtet sind.

Der Verbrennungsluft/Kaltgas-Zuführungskanal 15 des Zentralkörpers 9′ ist durch den Abstandsring 7 hindurchge führt.

Der Zentralkörper 9′ besteht aus hitzebeständigem Stahl oder Gußeisen. Er kann zwecks besserer Kühlung auch als dop pelwandige Konstruktion (Doppelrohrkonstruktion) ausgebil det und während des Betriebes von Kesselwasser durchströmt sein.

Die fünfte Ausführungsform gemäß Fig. 5 wird für Kes sel vorgeschlagen, die mit schwefelhaltigen Brennstoffen befeuert werden.

Hier wird mittels eines gasförmigen Trägermediums (kon kret mittels eines Teilstroms des Verbrennungsluft/Kaltgas gemisches) Kalk- oder Dolomitstaub über den Zentralkörper 9′ in die Flammengase eingeblasen. Dies geschieht vorzugsweise hinter dem Wasserrohrbündel 8.

Durch diese Einblasung von Kalk- oder Dolomitstaub wird das in den Flammengasen enthaltene SO₂ in Gips verwandelt und dadurch - neben der NO_x-Minderung - in einfacher Weise eine Entschwefelung der Rauchgase erreicht.

Der Kalk- oder Dolomitstaub wird über das Zellrad 15′ in die Verbrennungsluft/Kaltgas-Zuführungsleitung 15 zum Zen tralkörper 9′ eingeschleust.

Der Gipsstaub ist hinter dem Kessel in einem Filter aus den Rauchgasen zu entfernen.

Bei der Ausführungsform 6 wird während des Betriebes ein Teil des Brenngases über den Zentralkörper 9′′ in das um gebende Wasserrohrbündel 8 eingeblasen, wodurch bei größeren Kesseln ebenfalls eine Verzögerung der Verbrennung und da durch eine maximale Verbrennungstemperatur von ca. 950°C erreicht wird.

Der Vorteil dieser Lösung gegenüber der vierten Aus führungsform besteht darin, daß der erste Teil der Verbren nung - vor dem Brenner 6 - bei größerem Luftüberschuß er folgt und die unerwünschte Bildung von CO dadurch stark ver ringert wird.

Die sechste Ausführungsform ist nur für gasförmige Brennstoffe anwendbar.

Die Brenngas-Zuführungsleitung 16 zum Zentralkörper 9′′ - die vom Brenner 6 abzweigt - ist durch den Abstandsring 7 hindurchgeführt.

Die Düsen 9 ^x sind wieder zwischen die benachbarten Roh re der Rohrwendeln 8′ gerichtet.

Auch bei dieser sechsten Ausführungsform kann der Zen tralkörper 9′′ als doppelwandige Konstruktion (Doppelrohr konstruktion) ausgeführt sein, die mittels Kesselwasser ge kühlt ist.

Wesentlich für das einwandfreie Funktionieren der vor geschlagenen NO_x-armen Feuerung ist die richtige Bemessung des lichten Abstandes zwischen Brenner 6 und Wasserrohrbün del 8, sowie die richtige Gestaltung des Wasserrohrbündels 8 im Blick auf den verwendeten Brennstoff.

Bei Brenngasen mit hohem Heizwert (z.B. Erdgas) ist der lichte Abstand zwischen Brenner 6 und Wasserrohrbündel 8 klein zu wählen. Das Wasserrohrbündel 8 ist zweckmäßig aus geraden Rohren 8′′ zu bilden, da diese in den Flammen gasen nur eine geringe Turbulenz erzeugen, wodurch der Ver brennungsvorgang in die Länge gezogen wird, was die Einhal tung der Verbrennungstemperatur von ca. 950°C erleichtert. Es ist ein großes Wasserrohrbündel 8 zu wählen, das durch ausreichende Wärmeaufnahme die Einhaltung der Grenztempera tur von 950°C gewährleistet.

Bei Brenngasen mit niederem Heizwert (z.B. Schwachga sen) ist der lichte Abstand zwischen Brenner 6 und Wasser rohrbündel 8 groß zu wählen. Das Wasserrohrbündel 8 ist vorteilhaft aus schraubenförmigen Rohrwendeln 8′ zu bilden, die in den Flammengasen eine starke Turbulenz erzeugen und dadurch den Verbrennungsablauf intensivieren. Die wärmeauf nehmende Oberfläche des Wasserrohrbündels 8 kann klein be messen sein.

Bei flüssigen Brennstoffen wird zweckmäßig ein aus ge raden Rohren 8′′ bestehendes Wasserrohrbündel 8 angeordnet, um die Ablagerung von Brennstoffresten an den Rohren nied rig zu halten.

Bei Einsatz dieser flüssigen Brennstoffe - besonders bei der Verbrennung von Schweröl - sind für die Reinigung des Wasserrohrbündels 8 in dessen Bereich preßluft- oder dampfbeaufschlagte Reinigungsdüsen anzuordnen, die in das Bündel 8 gerichtet sind. Diese Reinigungsdüsen können auch am Zentralkörper 8 angebracht sein, wobei dann die Zufuhr der Preßluft bzw. des Reinigungsdampfes über den Zentral körper 9′, 9′′ erfolgt.

Für die Rohre 8′, 8′′ des Wasserrohrbündels 8 ist ein Stahl mit höherer Temperaturfestigkeit (z.B. 15 Mo 3) zu wählen, um die Gefahr von Rohrreißern auszuschließen. Dies gilt besonders beim Einsatz von hochwertigen Brennstoffen (z.B. Erdgas, Leichtöl).

Die vorgeschlagene Lösung zeichnet sich vor allem durch einen sehr geringen Aufwand an Regelgeräten aus und ermög licht dadurch eine einfache und störungsfreie Betriebsfüh rung des Kessels. Es besteht auch keine Gefahr von chemi schen Korrosionen (NH₃-Korrosionen).

Flammrohrkessel, die bereits in Betrieb sind, können mit verhältnismäßig geringem Aufwand auf diese NO_x-arme Feuerung umgestellt werden.

Durch den breitgefächerten Einsatz der neuen Feuerung ist eine erhebliche Schadstoffentlastung der Umwelt zu er reichen.

Claims

1. Flammrohrkessel für die Befeuerung mit Brenngas oder Heizöl, bestehend aus einem walzenförmigen Druckkörper mit einem oder zwei Flammrohren und mehreren Rauchrohr bündeln, sowie mehreren Rauchgaswendekammern, dadurch gekennzeichnet, daß in dem bzw. in jedem Flammrohr (2) vor dem Brenner (6) wenigstens ein Wasserrohrbündel (8) angeordnet ist, das während des Betriebes von den Flam mengasen beaufschlagt ist.

2. Flammrohrkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Wasserrohrbündel (8) über wenigstens ein Zulaufrohr (11) und ein Ablaufrohr (i 2) sowie über eine oder mehrere Umwälzpumpen (10) während des Betriebes mit Kesselwasser versorgt wird.

3. Flammrohrkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Wasserrohrbündel (8) in an sich bekannter Weise aus mehreren, vorzugsweise koaxial angeordneten, schraubenförmigen Rohrwendeln (8′) besteht.

4. Flammrohrkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Wasserrohrbündel (8) aus mehreren, geraden Rohren (8′′) besteht, die zur Achse des Flammrohres (2) parallel oder annähernd parallel angeordnet sind und die gegebenenfalls auch von einer oder mehreren schrau benförmigen Rohrwendeln (8′) umgeben sein können.

5. Flammrohrkessel nach Anspruch 1 und 3 bzw. 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrwendeln (8′) oder die ge raden Rohre (8′′) des Wasserrohrbündels (8) wassersei tig hintereinander geschaltet sind und strömungsmäßig auf der Seite des Kühlmediums ein Einrohrsystem bilden.

6. Flammrohrkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Wasserrohrbündel (8) wenigstens ein Zentralkör per (9) angeordnet ist, der gegebenenfalls auch als Teil des Kesseldruckkörpers ausgebildet sein kann.

7. Flammrohrkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stirnseite des Kessels vor dem bzw. vor jedem Flammrohr (2) wenigstens ein Abstandsring (7) angeordnet ist, durch den die Zu- und Ablaufrohre (11, 12) des Was serrohrbündels (8) hindurchgeführt sind.

8. Flammrohrkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Abstandsring (7) auf der dem Kessel abge wandten Seite ein Brenner (6) angeflanscht ist.

9. Flammrohrkessel nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekenn zeichnet, daß während des Betriebes ein Teil der Ver brennungsluft bzw. ein Teil des Verbrennungsluft/Kalt gasgemisches über den Zentralkörper (9′) in das Flamm rohr (2) eingeblasen wird.

10. Flammrohrkessel nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekenn zeichnet, daß während des Betriebes ein Teil des Brenn gases über den Zentralkörper (9′′) in das Flammrohr (2) eingeblasen wird.

11. Flammrohrkessel nach Anspruch 1 und 9 bzw. 10, dadurch gekennzeichnet, daß an der peripheren Wand des Zentral körpers (9′, 9′′) Düsen (9 ^x) für die Zuführung eines Teiles der Verbrennungsluft bzw. eines Teiles des Ver brennungsluft/Kaltgasgemisches oder eines Teiles des Brenngases angeordnet sind.

12. Flammrohrkessel nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die Düsen (9 ^x) zwischen die benachbarten Rohre der Rohrwendeln (8′) bzw. zwischen die benachbar ten Geradrohre (8′′) des Wasserrohrbündels (8) gerichtet sind.

13. Flammrohrkessel nach Anspruch 1 und 9 bzw. 10, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Abstandsring (7) die Ver brennungsluft/Kaltgas-Zuführungsleitung (15) oder die Brenngas-Zuführungsleitung (16) des Zentralkörpers (9′, 9′′) hindurchgeführt ist.

14. Flammrohrkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebes durch den Zentralkörper (9′) des Wasserrohrbündels (8) ein gasförmiges Trägermedium mit Kalk- und/oder Dolomitstaub in die Verbrennungs gase eingeblasen wird.

15. Flammrohrkessel nach Anspruch 1 und 14, dadurch gekenn zeichnet, daß das gasförmige Trägermedium mit Kalk- und/ oder Dolomitstaub hinter dem Wasserrohrbündel (8) in die Verbrennungsgase eingeblasen wird.

16. Flammrohrkessel nach Anspruch 1 und 9 bzw. 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralkörper (9′, 9′′) als dop pelwandige Konstruktion (Doppelrohrkonstruktion) aus gebildet ist und während des Betriebes von Kesselwasser durchströmt ist.

17. Flammrohrkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebes in an sich bekannter Weise der Verbrennungsluft vor dem Brenner (6) über ein Rückführ gebläse (14) kaltes Rauchgas vom Ende des Kessels her zugemischt wird.

18. Verfahren zum Betrieb eines Flammrohrkessels nach An spruch 1 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß mit ab nehmender Kesselleistung das Verhältnis Kaltgasmenge/ Brennstoffmenge reduziert wird.

19. Flammrohrkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß im Bereich des Wasserrohrbündels (8) mehrere preßluft- oder dampfbeaufschlagte Reinigungsdüsen an geordnet sind, die in das Bündel (8) gerichtet sind.

20. Flammrohrkessel nach Anspruch 1 und 19, dadurch gekenn zeichnet, daß die Reinigungsdüsen am Zentralkörper (9′, 9′′) angebracht sind und die Zufuhr der Preßluft bzw. des Reinigungsdampfes vorzugsweise über den Zentral körper (9′, 9′′) erfolgt.